建筑废土制备可控低强度材料的试验研究

2022-11-01刘浩朱祐增黄锐张鹏

科学技术与工程 2022年26期

刘浩，朱祐增，黄锐，张鹏

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

近年来，随着建筑工程大量建设产生了大量的工程废土，往往需要运送到郊区，造成了资源的浪费，如何进行资源利用是一个严峻的问题[1]。同时，随着中国管道里程的高速建设，接近使用寿命的管道越来越多，时常出现因为管道的老化、渗漏、喷涌，出现地面沉降、路面塌陷以及交通事故，严重影响着人民群众的财产安全，产生这一系列问题的一个主要原因是管道周围回填材料压实质量不足[2]。因此，利用建筑废土代替砂石骨料制备可控低强度材料应用于管道工程回填有着不错的前景。

根据美国混凝土协会(ACI)229的定义，可控低强度材料(controlled low strength materials, CLSM)是一种自密实和自平整以及高流动度的低强度材料，对于不能采用大型压实装备压实的区域进行有效回填,当它强度低于2 MPa时，有利于将来的管道开挖。CLSM经久耐用、经济、易于铺设而不用振动，不需要大量劳动力，可以进行很好的结构性填充，与传统的回填相比更具吸引力和实用性，用于填充管道垫层、地基垫层、桥台填充方面有着广泛的应用前景。一般而言，CLSM主要由水泥、粉煤灰、砂石以及水泥配合而成，近年内，中外很多学者利用绿色、可持续发展的材料，如高岭土[3]、橡胶颗粒[4]、脱水污泥和垃圾焚烧底灰[5]、高炉矿渣[6]、建筑垃圾[7-8]，研究其作为骨料生产CLSM的可能性。在众多骨料原材料中，废土更易获得且更廉价，成为制备CLSM的一种新途径。目前中外对土基CLSM开展了一系列研究， Kim等[9]利用砂石土制备CLSM，并发现添加砂土之后，大幅改善了CLSM的稳定性；Chittoori等[10]采用高塑性黏土制备CLSM，得出添加高塑性黏土后要使混合物具有流动性，需要较大的水胶比；郝彤等[11]利用盾构渣土制备土基 CLSM 的可行性，并制备出符合流动性回填的CLSM。在现有技术和研究下，土基CLSM强度形成机理还不明确以及土基CLSM的配合比设计思路还不成熟。

因此，现利用建筑施工中产生的工程废土代替常规的砂石骨料，研究废土添加对CLSM物理性能、力学性能的影响，提出一种土基可控低强度材料的配合比设计思路，研究水胶比、废土取代率、胶凝材料中水泥的掺量3种因素对于CLSM流动度、泌水率、无侧限抗压强度的影响，并通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、能谱分析(energy spectrum analysis，EDS)等微观分析手段对其强度形成机理进行分析。

1 实验

1.1 试验材料

试验基本材料为工程废土、砂石、粉煤灰、水泥以及自来水。砂石为天然河砂，细度模数为2.4，为中砂。工程废土是来自武汉某工程开挖而产生的弃土，废土中含有石子以及其他杂质，用5 mm筛子进行筛选，对大颗粒物质进行筛除，在试验之前，用烘箱对建筑废土以及砂石烘干，以免骨料中含有的水分对于实验的影响，液限ωl=15.3，塑性指数Ip=17.3，天然含水率为20.18%，废土的粒径集配曲线如图1所示。水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰为F类三级粉煤灰，水泥、粉煤灰主要化学成分如表1所示。

表1 水泥、粉煤灰主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cement and fly ash

图1 建筑废土的粒径级配曲线Fig.1 Grain size grading curve of building waste soil

1.2 试验方案

试验方案如图2所示，以建筑废土和砂石为细骨料，建筑废土以0、10%、20%、30%等质量取代砂石，水泥以及粉煤灰作为胶凝材料，掺加量以砂石的量为基准(100%)，其他掺量为与砂石的用量之比的百分率；研究水胶比对于不同废土掺量CLSM工作性能的影响，测出不同水胶比不同废土掺量情况下的流动度以及泌水率，共设计了16组，得到具有高流动度的CLSM；在此前提下，对于高流动度的CLSM，设置水泥掺量为18%、27%、36%研究胶凝材料中水泥的掺量对于CLSM流动度、泌水率以及无侧限抗压强度的影响，并进行SEM扫描电镜检测以及EDS能谱分析，最后利用Image-ProPlus6.0图片分析软件对所得的CLSM图片进行分析、处理。图2为本文具体的的实验流程图；图3为流动度试验、泌水率试验、无侧限抗压强度试验、扫描电镜试验示意图，试验配合比如表2所示。

表2 水胶比对CLSM性能的影响Table 2 The effect of water-binder ratio on the performance of CLSM

图2 实验流程图Fig.1 Experimental flowchart

图3 试验示意图Fig.3 Test schematic

1.3 试验方法

试验研究的CLSM的物理力学性能有流动度、泌水率、湿密度、无侧限抗压强度。目前在中国，没有专门对于CLSM的具体规范，本文主要依据美国ASTM相关标准。流动度、湿密度试验参照ASTM D6103[12]中测试方法；泌水率试验参照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土实验规程》[13]中泌水率测试方法；CLSM无侧限抗压强度试验参考 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法进行测试》[14]，试样尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

微观试验主要包括SEM扫描电镜检测以及EDS能谱分析。将无侧限抗压强度试验后的残块进行收集，利用微型切割机对残块进行切割，切出尺寸15 mm×15 mm×15 mm的微型试样块。然后将其放入45 ℃的烘箱中干燥后，用砂纸打磨其表面，使其平整，清洁，并用气球吹掉表面的杂质。采用小型离子溅射仪在其表面进行镀膜，由于试样块导电性很差，对其进行数次喷金保证其导电性。喷金完成后，放入扫描电镜进行观测，对其试样表面进行500倍、1 000倍、3 000倍和5 000倍的成像，通过调整对比度以及亮度等，在最清晰的时候保存图片。最后利用Image-ProPlus6.0图片分析软件对所得的CLSM图片进行分析、处理。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对土基CLSM的影响

作为流动性回填的可控低强度材料，良好的流动性以及较低的泌水率是其优良工作性的保证，美国ASTM将CLSM的流动性分为三级，流动度大于200 mm就认为其具有高流动度，可以进行狭窄以及缝隙进行流动回填。本试验在确定其他组分不变的情况下，调节水胶比使不同废土含量的CLSM从低流动度到高流动度进行试验研究，研究流动度与泌水率之间的关系，选择高流动度、具有较低泌水率的具有优良工作性能CLSM。

不同水胶比、不同废土掺量CLSM流动度的变化情况如图4所示。不同废土掺量下的CLSM流动度随着水胶比的增大而增大，并且随着骨料中废土的增加，CLSM满足最基本的流动所需的水胶比也在不断增加。随着废土掺量从0增长到10%、20%、30%，满足基本的流动所需的水胶比分别为1.13、1.16、1.27、1.40，水胶比的增长速率为2.65%、9.48%、10.2%，需水量的增长幅度不断增加，为了达到高流动度的CLSM，在废土掺量增加的情况下，需要增大水胶比以满足流动性要求。

图4 水胶比对于CLSM流动度的影响 Fig.4 Influence of water-binder ratio on CLSM fluidity

图5为不同废土掺量不同水胶比下CLSM的泌水率变化情况，可以看出，随着流动度的增加，CLSM的泌水率也在不断增加。在废土没有掺入的情况下，无论是低流动度还是高流动度，CLSM的泌水率都大于8%，不适合应用。随着建筑废土掺量的增加，CLSM的泌水率减小明显，废土掺量为20%、30%时，流动度大于200 mm的CLSM泌水率均低于8%，在高流动度下，仍能保持相当低的泌水率，建筑废土的掺入很好地减小了CLSM的泌水、离析，并且，建筑废土掺量越多，降低泌水的效果越好。 Kim等[9]同样阐明了这一点，随着土含量的相应增加，所制备混合物的流动性下降，含土的CLSM的流动性都低于纯砂骨料的CLSM。废土可以作为一种可行的材料来改善所提出的CLSM混合物的稳定性以及泌水水平。

图5 不同水胶比下CLSM的泌水率Fig.5 Bleeding rate of CLSM under different water-binder ratios

2.2 水泥掺量对高流动CLSM物理、力学性能的影响

在回填工程中，对于正常回填不能到达的区域，需要满足一定的流动度，在自重作用下可以满足自流平，以达到良好的回填效果。因此，在上述试验的基础上，选择不同废土百分数掺量下高流动度的第2、7、11、16组，它们的流动度分别为225、215、205、250 mm，都属于ASTM所规定的高流动度的CLSM，在此种情况下，通过改变胶凝材料中水泥的掺量，分别设置为水泥占胶凝材料的18%、27%、36% 3种水泥掺量，研究在高流动度的CLSM，水泥掺量的变化对于CLSM物理、力学性能的影响,试样编号“18%—10%”为水泥掺量为18%、废土掺量为10%的CLSM组别，试验结果如表3所示。

表3 胶凝材料中水泥掺量对于CLSM物理力学性能的影响Table 3 Influence of cement content in cementing material on physical and mechanical properties of CLSM

图6为不同水泥掺量CLSM流动度的影响规律。由图6可知，随着胶凝材料中水泥掺量的增加，CLSM的流动度不断降低。废土掺量为10%时，水泥掺量从18%增加到27%与36%，流动度分别从225、215、210 mm，分别降低约4.4%和6.7%。图7为不同水泥掺量对于CLSM泌水率的影响，从图7可以看出，随着水泥掺量的增加，略微降低了CLSM的泌水率。在废土掺量为10%，水泥掺量从18%增加到27%与36%，CLSM的泌水率分别为15%、13.8%和12%，分别降低约8%和20%。产生上述现象的主要原因是随着水泥掺量的增加，粉煤灰掺量会减少，粉煤灰的比重比水泥低很多，用等量的水泥替代粉煤灰，会减少净浆量以及粉煤灰的“滚珠润滑”效应，这两方面导致了CLSM流动度的降低。

对比图6和图7，随着建筑废土掺量的增加，CLSM的泌水率不断降低，且泌水率降低的速率大于废土添加的速率。废土掺量从0到10%、20%、30%，CLSM的3种不同水泥掺量平均泌水率分别为20.3%、13.6%、6.9%，泌水率随着废土掺量增加降低显著。当废土掺量为10%和20%时，3种水泥掺量的平均流动度分别为216 mm和210 mm，它们的平均泌水率为13.6%和6.9%，二者流动度相差不大，但是泌水率降低了49.3%，可以得出增大废土掺量可以很好地降低泌水。废土的加入使CLSM整体的匀质性、黏聚性更好，在很好流动度的情况下，可以保证较低的泌水率。对比未添加废土以及添加废土10%的CLSM，未添加废土，在泌水率超过20%，在回填工程中，这样的CLSM是不可用的，当添加了10%的建筑废土之后，泌水率下降了31.5%，泌水率下降相当显著，添加废土制备CLSM很好地改善CLSM在高流动度情况下的离析、泌水现象，大大提高了CLSM的工作性能。

图6 不同水泥掺量CLSM流动度的影响 Fig.6 Influence of different cement content on CLSM fluidity

图7 不同水泥掺量对于CLSM泌水率的影响Fig.7 Influence of different cement content on bleeding rate of CLSM

同时，进行了在不同水泥掺量CLSM的湿密度量测，如图8所示，可以看出，水泥掺量的增加略微提高了CLSM的湿密度，但是整体来说，对于CLSM的湿密度影响不是特别显著。随着废土掺量的增加，CLSM的湿密度不断降低。废土掺量从0到10%、20%、30%，不同水泥掺量的湿密度的平均值为2 033、2 010、1 984、1 909 kg/m3，湿密度平均值的降低率从1.1%增加到1.3%、3.8%，CLSM的湿密度随着废土产量的增加降低的速率不断增大。湿密度的显著降低的主要原因是：砂石的干密度大于建筑废土的干密度，并且为了在保持高流动度情况下，废土掺量从0到30%，水胶比由1.20增加到1.54，水的密度远低于砂石以及建筑废土，在这种情况下，随着废土掺量的不断增加，湿密度降低的速率将会不断增大。

图8 不同水泥掺量下CLSM的湿密度Fig.8 Wet density of CLSM with different cement content

为研究在不同水泥掺量情况下不同废土掺量情况下的强度，进行了3、7、28 d无侧限抗压强度试验，如图9所示。当废土掺量为10%，水泥掺量为18%、27%、36%时，CLSM 3 d的抗压强度为0.53、0.8、1.1 MPa，随着水泥掺量的增加，强度的增长为50.9%、100.7%，近似于成比例增长，水泥材料添加的多少主要影响着材料强度的发展。因此，设计不同强度的符合不同力学条件的CLSM主要可以控制水泥掺量的变化以满足不同的回填要求。水泥掺量为18%时，未添加废土28 d的无侧限抗压强度为1.3 MPa，当添加10%的废土， 28 d的无侧限抗压强度为0.78 MPa，强度降低了66.7%；水泥掺量为36%，未添加废土28 d的无侧限抗压强度为2.09 MPa，当添加10%的废土，28 d的无侧限抗压强度为1.71 MPa，强度降低了18.2%，可以得出，添加废土对于CLSM的强度影响显著，强度的减少速率大于废土添加掺量的速率。从以上得出，水泥以及废土掺量主要影响着CLSM强度的发展。

图9 不同水泥掺量下CLSM的3、7、28 d的无侧限抗压强度Fig.9 Unconfined compressive strength of CLSM in 3 d, 7 d and 28 d with different cement content

并且随着龄期的增加，土基CLSM的强度的不断增加，研究3、7、28 d的强度之间的关系，探索前期与后期之间强度的发展关系。对于3 d与7 d、28 d的无侧限抗压强度进行拟合，如图10所示，该拟合公式意在对CLSM的后期强度进行预测。总体趋势是，随着时间的增长，CLSM的无侧限抗压强度不断增加。拟合公式如图10所示，拟合的效果良好，可以得出，7 d的无侧限抗压强度约为3 d的1.45倍，28 d的无侧限抗压强度约为3 d的1.91倍，随着龄期的增加，强度的增长速率存在差异，在施工中，可以利用前期3 d的强度对后期的强度进行预测。

图10 土基CLSM 3 d、7 d、28 d的强度拟合Fig.10 Strength fitting of soil base CLSM at 3 d,7 d and 28 d

3 土基可控低强度材料的微观分析与计算

3.1 土基CLSM微观分析

图11为0、10%、30%废土掺量下CLSM表面放大1 000倍SEM图片，明显可以看出，添加建筑废土的图片与未添加建筑废土的图片存在明显的差异，图11(a)为没有添加建筑废土的CLSM，图中较大的砂石颗粒组成了CLSM的骨架，其骨架中间填充有水泥水化产物，絮凝状C—S—H和针棒状AFt堆叠，它们附在砂石骨料周围，形成很好的连接结构，这种结构能够承载较大的外力。图11(b)废土添加10%之后，CLSM由砂石骨料以及黏土絮凝体以及微量的水泥水化产物所组成，彼此之间呈现堆积接触状态，连接力微弱；图11(c)废土添加30%，水泥水化产物更少，大量的叠聚体堆结，粒状体以及片状体相对独立，存在大量的孔隙。随着建筑废土掺量的增加，CLSM中的水化产物含量越来越少，黏土颗粒与砂石之间有大部分空隙未被填充，在砂石表面以及砂石与土团粒之间水化产物产量减少，添加废土之后CLSM的微观结构发生了巨大的改变。

图11 不同废土掺量下CLSM的SEM图片(1 000倍)Fig.11 SEM images of CLSM with different wasteland content(×1 000)

对于未添加废土以及废土添加30%，试验编号为27%-0和27%-30% 7 d的试样进行EDS能谱分析，如图12所示，二者的CLSM试样中含有的元素主要有钙、硅、铝、氧等，但是试样二者之间元素所占的比例相差很大，表4为CLSM试样中的原子百分比，未添加废土的试样中n(Ca)/n(Si)为1.1，当添加废土30%之后，该比值变为0.09，变化幅度很大，从表4可以看出，添加废土之后，添加了废土之后，CLSM中的钙原子所占的百分比大大降低，导致了土基CLSM强度的降低。

表4 CLSM试样中的元素组成Table 4 Element composition of CLSM sample

图12 试样的EDS能谱分析Fig.12 Energy spectrum analysis of the specimen

3.2 微观计算分析

利用Image-ProPlus6.0 软件对试样编号为27%-0、27%-10%、27%-30% SEM微观图像进行处理，计算孔隙的最大面积、孔隙面积的平均值、孔隙半径的最大值、孔隙半径的平均值以及孔隙面积所占的百分比，计算结果如表5所示。

表5 试样微观孔径统计分析表Table 5 Statistical analysis table of microscopic pore size of sample

试样处理前后的SEM 图像对比(3 000 倍)如图13所示，图像左边为原图，右图为黑白二值化图像，白色区域为孔隙。由图13可知，图像表面白色区域即孔隙越来越大。在未添加废土时，平均孔隙面积为1.01 μm2，试样27%-10%的平均孔隙面积为2.64 μm2，试样27%-30%的平均孔隙面积为20.58 μm2，可以得出，未添加废土之前，孔隙面积较小，且孔隙中填充的水泥水化产物较多，废土添加越大，填充的水泥水化产物减少，孔隙的面积越大，且CLSM微观的接触关系也发生了变化，由面接触部分转变为点接触。

图13 SEM 图像以及黑白二值图片(3 000 倍)Fig.13 SEM images and black-and-white two-value pictures (×3 000)

试样27%-0、27%-10%、27%-30%的孔隙率分别为17.96%、35.12%、60.36%，随着废土的添加，CLSM孔隙率逐渐增大，从图9可知，CLSM的强度不断的降低。产生这种现象的主要原因是： CLSM的孔隙主要由水泥水化产物所填充，废土的添加导致颗粒之间水化产物产量减少，颗粒之间的接触关系逐渐发生了改变，废土添加越多，强度降低越大。

水泥的水化反应是CLSM的强度主要来源，水化的水化产物主要为C-S-H、C-H、AFt，其中C-S-H作为主要的胶结物质，填充土与砂石之间的孔隙，从SEM图片可以看出，随着废土掺量的增加，骨料之间的水化产物C-S-H、C-H、AFt越来越少；由IPP处理的黑白二值图片得出，随着废土掺量的增加，不同废土掺量的CLSM的孔隙以及孔隙率越来越大；无侧限抗压强度试验得出，随着水泥掺量的增加，土基CLSM的强度不断增加。填充了废土之后，水泥水化产物减少，使CLSM的孔隙率增大，直接导致了强度的降低；水泥掺量增加，水化产物增加，说明了水泥水化反应直接影响着CLSM的强度。

当黏土与水以及水泥一起存在时，会发生一系列反应，当水泥与水以及骨料拌和后，整体中会存在相当多的Ca2+，它会与黏土表面的K+、Na+进行离子交换，离子交换作用使黏土表面双电层变薄，使颗粒之间连接更紧密，土颗粒之间团粒化[15]，形成团粒。黏土表面吸附这样将会是孔隙中Ca2+减少，对水泥的水化产生影响，C-S-H、C-H、AFt等水泥水化产物的减少，造成了CLSM强度的降低。同样，增加水泥掺量，可以减少因离子交换造成的强度降低。另外，黏土本身的粘结以及团粒化对于CLSM孔隙之间填充和连接，但是黏土的连接以及离子交换形成的团粒[16]相对于水泥水化产物弱得多。